劉軍

華盛頓大學(xué)的工程師們設(shè)計了一種小巧、高效的機器人視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)總重量只有 250毫克，相當(dāng)于一張卡片重量的 1/10。研究人員將其固定在活甲蟲的身上，并能夠以每秒1幀～5幀的速度向智能手機實時傳輸視頻。這項研究成果發(fā)表在最新一期的《科學(xué)·機器人學(xué)》上。

在電影《蟻人》中，主人公通過縮小身體尺寸，可以隨意穿梭于各種巖石縫隙。更為震撼的是，通過昆蟲第一視角看到的景象，和我們的認(rèn)知大為不同。現(xiàn)在，華盛頓大學(xué)的科研人員讓電影情節(jié)變成了現(xiàn)實。副教授 Shyam Gollakota 帶領(lǐng)他的團隊，在微軟獎學(xué)金和美國自然科學(xué)基金會的資助下，設(shè)計了一款小到可以安裝在甲蟲背部的視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過藍牙裝置實時傳輸甲蟲第一視角畫面，通信范圍比足球場略大，為 120 米。

為什么會選擇甲蟲？是什么啟發(fā)了工程師將機械裝置和活體生物聯(lián)系起來？這項研究始于對這樣一個問題的探索——如何實現(xiàn)微型機器人視覺功能？長久以來，復(fù)雜的視覺系統(tǒng)必然伴隨大尺寸、高能耗，也就是說，只有大型機器人才配擁有視覺系統(tǒng)。而微型機器人，要么無法安裝視覺裝置（尺寸過大），要么必須帶一根長長的線——用來通信和供電，否則續(xù)航能力堪憂。

因此，如何給微型機器人設(shè)計一款低能耗、高續(xù)航、無線的視覺系統(tǒng)，成為機器人領(lǐng)域工程師們的重大挑戰(zhàn)。為了解決這個難題，Gollakota 和他的團隊拋開工程領(lǐng)域，到生物學(xué)領(lǐng)域?qū)で蟠鸢浮Ｍㄟ^對一系列生物視覺系統(tǒng)的研究，工程師們發(fā)現(xiàn)了有意思的現(xiàn)象。

從低級物種到高級物種，生物體為視覺系統(tǒng)供給的能量是不一樣的。比如浮游生物，雖然低級，但通過長期的進化，它們真正做到了視覺系統(tǒng)的“高性價比”，這恰恰是研究人員想在機器人身上實現(xiàn)的。

“高性價比”有兩個特征：能省就省，夠用就好。華盛頓大學(xué)的工程師們發(fā)現(xiàn)，人類作為最高等的生物，我們的眼睛和視覺皮質(zhì)占人體總重量的 0.6%，而昆蟲類，比如蒼蠅，該比例卻高達 2.5%～13%。質(zhì)量占比越高，意味著能耗越大。拿蒼蠅種族中的綠頭蒼蠅為例，且不說整個視覺系統(tǒng)，單單一個視網(wǎng)膜，就消耗了其代謝能量的 8%。如此高的能耗，是自然界所無法接受的。

因此在漫長的進化中，昆蟲 “學(xué)會” 了一整套節(jié)約能耗的辦法。第一招，只在視網(wǎng)膜的一小片區(qū)域發(fā)展視覺功能。這有點 “集中優(yōu)勢兵力打擊敵人” 的意味，既然視網(wǎng)膜耗能太高，昆蟲就縮小視網(wǎng)膜的視覺能力范圍。第二招，多轉(zhuǎn)頭，少動身體。如果昆蟲想要獲得其他方位的畫面信息，不需要移動身體，它們的頭部可以獨立于身體轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動頭部顯然比移動身體更節(jié)約能量。更有甚者，頭也不轉(zhuǎn)，可以轉(zhuǎn)眼睛。用工程師的話來說，這一招實現(xiàn)了“高效能收集視覺信息”。

了解到這些關(guān)鍵點，Gollakota 團隊嘗試將其應(yīng)用在機器人視覺系統(tǒng)的設(shè)計中。他們的規(guī)劃是，首先把設(shè)計的裝置固定在活體甲蟲背面，以測試其效果，然后用甲蟲大小的機器人替換甲蟲，最終實現(xiàn)帶有視覺系統(tǒng)的微型機器人設(shè)計。Gollakota 等人設(shè)計的這一套機器視覺系統(tǒng)，可以說是昆蟲視覺系統(tǒng)的人工版本。在分辨率上，該系統(tǒng)采用的圖像傳感器精度和昆蟲相當(dāng)，較低的分辨率意味著更輕、更節(jié)約電量。最終的設(shè)計也體現(xiàn)了這一點，整套視覺系統(tǒng)總重 250mg，相當(dāng)于一張卡片的 1/10 重量。

此外，工程人員把攝像頭安裝在了一個可以旋轉(zhuǎn)的機械裝置上，該機械裝置通過機載驅(qū)動器控制，可以轉(zhuǎn)動 60 度，并且能夠左右平移。此舉模擬了昆蟲的頭部功能，即在不移動身體的情況下獲得更大的視覺范圍。而平移功能允許攝像頭捕捉運動物體，甚至能夠拍攝全景照片。最后，工程人員創(chuàng)造性地在視覺系統(tǒng)中添加一個特殊裝置——加速計，加速計可以檢測甲蟲是否處在運動狀態(tài)。只有當(dāng)甲蟲處在運動狀態(tài)時，才觸發(fā)視覺系統(tǒng)的拍攝功能。用參與項目的該校博士生 Vikram Iyer 的話說，“如果攝像頭一直工作，那整個視覺系統(tǒng)只能續(xù)航 1小時～2 小時。安裝加速計之后，續(xù)航提高到 6 小時”。加入這一系列仿生設(shè)計，機器視覺系統(tǒng)的能耗比傳統(tǒng)方式至少能降低1/4。

最終的實驗結(jié)果令人滿意。由于整個裝置足夠輕便，甲蟲甚至可以背著 “設(shè)備” 爬樹。而通過智能手機操縱可旋轉(zhuǎn)的攝像頭，實現(xiàn)了全景拍攝。機器視覺系統(tǒng)在甲蟲身上獲得了成功，團隊進而設(shè)計了一款甲蟲大小的微型機器人，搭載該視覺系統(tǒng)，取得了同樣好的實驗結(jié)果。

Gollakota 認(rèn)為，通過大幅度降低傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)的尺寸、功率與重量，將攝像頭的使用拓展到了以前不可能的新領(lǐng)域。“視覺對溝通和導(dǎo)航都非常重要。當(dāng)昆蟲四處移動時，捕捉和傳輸實時數(shù)據(jù)對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展非常有益?！?Gollakota 說。同時，該團隊準(zhǔn)備公開該項目的代碼，和所有研究人員共享。

在未來，他們計劃在 “低能耗” 上更進一步——徹底擺脫電池的限制，此舉可以通過利用太陽能實現(xiàn)。（摘自美《深科技》）（編輯/多洛米）